用于磨料射流切割系統的精細切口切割的噴嘴的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明通常涉及使用攜載磨料的液體的高壓射流來切割工件的磨料射流切割 系統，并且更具體地，涉及一種適用于這種系統的具有改進的結構并允許精細切口切割 (fine-kerf cutting)的噴嘴和刀頭（cutting head)。
【背景技術】
[0002] 使用流體的高壓射流的切割系統是本領域公知的。本領域所知的各種這類布置通 常被稱作"水射流（water jet)"系統。一些這類系統使用僅含液體的射流，并通常被稱作 "僅含水的射流（water-only jet)"或"WJ"系統。其他系統涉及使用攜載磨料的液體的射 流。一些這種系統涉及使用干磨料，并通常被稱作"磨料水射流（abrasive water jet)"或 "AWJ"系統。其他這種系統涉及使用磨料衆（abrasive slurry)或衆體，并通常被稱作"磨 料漿射流"或"磨料漿體射流"或"ASJ"。
[0003] 圖1顯示了用于示例性現有AWJ系統的示例的刀頭10的示例。在示例的刀頭10 中，高壓液體從入口 12通過由晶體14(通常由藍寶石（sapphire)或金剛石（diamond)制 成）限定的小噴孔（通常直徑約為〇. 1至〇. 7_)流出。離開晶體14的精細射流進入混合 腔16。石植石（garnet)或其他研磨材料的小顆粒通過入口 18被供給到混合腔16。
[0004] 然后，射流流過噴嘴主體22上的細長的聚焦管（focusing tube) 20,聚焦管20通 常用于加速射流并使顆粒夾帶在液體流動的方向上。聚焦的水射流隨后通過聚焦管20的 出口 24離開。該射流（包括夾帶的磨料顆粒）能夠隨后被用于切割金屬或其他材料制成 的工件5。
[0005] 在一些實施方式中，磨料顆粒相對粗糙，具有范圍為0. 075mm至0. 350mm的平均粒 度。在這種實施方式中，磨料顆粒通常在空氣/氣體流束中重力給料（gravity-fed)到混 合腔16中，其中空氣/氣體流束用作輸送介質。舉例來說，這種實施方式適用于獲得范圍 約為〇· 45謹至2. 5謹的切口尺寸。
[0006] 在刀頭10中，晶體14和出口 24之間的能量損耗可能會不合希望地高。在某種程 度上，水的動能因需要加速研磨材料而損失。另外，由于磨料顆粒撞擊在壁上（特別是在混 合過程中），在混合腔16和聚焦管2中會發生顯著的摩擦損耗。
[0007] 切割的切口寬度與攜載磨料的射流的直徑成比例。通常希望形成相對小的切口切 害J，并且存在對上述系統中能夠獲得的切口尺寸的下限（lower limit)，因為切口尺寸很大 程度上依賴于射流和磨料顆粒尺寸，并且存在粒度極限，低于該極限，磨料顆粒開始成團并 因而不能令人滿意地通過重力給料和/或空氣流流動。傳統的商業可獲得的AWJ系統通常 將最小切口尺寸限定在約〇. 45mm以上。通過減小AWJ噴嘴的尺寸來形成小于0. 45mm的切 口存在問題。
[0008] 為了獲得更小的切口，ASJ系統涉及使用液體作為用于形成預混漿體的更細/更 小的磨料顆粒的輸送介質。這種系統與上面參考圖1說明的AWJ系統相似，但通常涉及將懸 浮有磨料顆粒的高壓漿體從入口 12通過由晶體限定的小噴孔（通常由藍寶石或金剛石制 成）供給，如圖2所示。離開該晶體的精細射流用于切割目的。因為磨料顆粒夾帶在供給給 晶體的漿體中，因而無需混合腔。例如，傳統的ASJ系統對于范圍在約.008mm至約.080mm 的粒度工作良好，從而提供寬度約〇· Olmm至〇· 2mm的切口尺寸。
[0009] 這種基于漿體的系統避免了一定量的上述的能量損耗，但仍然因夾帶的磨料顆粒 的切割作用而遭受快速磨損。這使得ASJ系統商業上不可行，特別是不能長期用于在很多 商業制造應用中所需的厚材料。
[0010] 另外，由于減小了射流尺寸來產生精細切口，對于類似的切割作用來說，需要更高 的射流壓力和速度，這導致噴嘴和/或聚焦管的加重磨損和縮短使用壽命。舉例來說，典型 的AWJ噴嘴可能具有大約50-約100小時的使用壽命，而典型的ASJ噴嘴可能具有約不到 1小時的使用壽命。
[0011] 因此，這些方式導致了切口的不合需要的大的寬度、不合需要的噴嘴磨損和/或 導致不連續切割。
[0012] 需要一種適用于更長時間的進行精細切割的刀頭、噴嘴和高壓磨料射流切割系 統。

【發明內容】

[0013] 本發明提供一種提供精細切口切割的新的刀頭、噴嘴和高壓磨料射流切割系統。 另外，所述刀頭、噴嘴和切割系統尤其適于使用平均粒度小于約250微米（并且更具體的， 所述平均粒度為從約15至225微米）的非常細的磨料顆粒的精細切口切割（例如，從約 0. 050至約0. 45mm)，并且優選小于約150微米。
[0014] 所述系統和刀頭包括所述噴嘴。所述噴嘴具有噴嘴主體，該噴嘴主體限定沿軸線 延伸的細長通道。所述細長通道具有混合段和聚焦段。所述聚焦段具有終止于用于產生高 壓射流的出口孔的聚焦部。所述混合段具有側壁，該側壁限定與所述細長通道流體連通的 口，以允許包括懸浮在流體中的磨料顆粒的漿體的低壓流進入。所述混合段的側壁設置為 具有釋放部，該釋放部從所述口朝向所述聚焦段徑向向內延伸。在一些實施方式中，該漸縮 從所述口到所述聚焦段是連續的。
【附圖說明】
[0015] 通過參考附圖將有利于對下文說明的理解，附圖中：
[0016] 圖1是用于磨料水射流（AWJ)切割系統的示例的現有的刀頭的橫截面示意圖；
[0017] 圖2是用于磨料漿體（ASJ)切割系統的示例的現有的刀頭的橫截面示意圖；
[0018] 圖3是根據本發明的示例實施方式的示例的刀頭的立體圖；
[0019] 圖4是圖3所示的刀頭沿圖3的沿AA線截取的橫截面視圖；
[0020] 圖5是圖3所示的刀頭沿圖3的沿BB線截取的橫截面視圖；
[0021] 圖6是圖3所示的刀頭的分解圖；
[0022] 圖7是圖3所示的刀頭的噴嘴的放大圖；
[0023] 圖8是圖7所示的噴嘴在工作過程中的示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 本發明涉及一種包括特定結構的噴嘴的刀頭和切割系統，其中所述噴嘴具有新穎 的內部幾何結構，該內部幾何結構設置為提供精細切口切割。示例的刀頭50的立體圖和橫 截面視圖顯示在圖3和圖4中。
[0025] 現在參考圖3和圖4,示例的刀頭50可以與現有的刀頭在以下方面通常一致：刀 頭50包括入口段（inlet stage)60,該入口段60限定用于接收來自泵（未圖示）的加壓液 體的液體供給管路62。如現有技術中所知，射流是由泵送高壓液體穿過孔產生的，以獲得基 于伯努利原理的超音速。通常，以大約1000到6000巴（bar)的壓力供給該加壓液體，并且 如本領域技術人員所知，更常使用的范圍為3500到4500巴。如本領域技術人員所知，液體 可以是水或者水和用于降低射流在離開噴嘴時的分散的添加劑的混合物。管道62終止于 限定入口孔66的模具（die)64。入口孔66的尺寸設置為具有比所述管道更小的橫截面積， 并因此產生精細、高速的液體射流。例如，入口孔66可以具有范圍為約0. 08至約0.